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现代陀螺技术的发展及应用分析论文

1 现代陀螺技术

有悬浮支承的机电转子陀螺技术。

机电转子陀螺是基于经典力学原理制成的陀螺仪。其原理是利用绕对称轴高速旋转的刚体具有稳定性和进动性的特性来实现对角速度和角偏差的测量。

采用悬浮支撑技术的转子陀螺发展至今已十分成熟，目前单轴液浮陀螺精度已达°/h，采用铍材料浮子后可优于°/h，三浮陀螺的精度优于×10-5°/h，有报道称第四代三浮陀螺的精度甚至可达×10-7°/h。动力调谐陀螺技术体积小、重量轻，是转子陀螺技术上的重大革新，国外产品精度可达°/h。而采用真空静电悬浮技术的静电陀螺，其转子不存在接触摩擦，摩擦干扰力矩几乎趋近于零，是目前公认的精度最高的转子陀螺，典型精度一般在10-4～10-5°/h。

光学陀螺技术。

1) 激光陀螺技术。激光陀螺是基于萨格纳克(Sagnac)效应制成的陀螺。其原理是通过测量两束光波沿着同一个圆周路径反向而行产生的光程差来实现对角速度测量。1963 年，美国Sperry 公司首次成功研制出环形激光陀螺。1975 年，Honeywell 公司研制出机械抖动偏频激光陀螺，采用激光陀螺技术的捷联惯性导航系统真正进入了实用阶段。20 世纪90 年代末期，Litton 公司又研制出了无机械抖动的四频差动激光陀螺，精度可达°/h。目前Honeywell公司最新型的GG1389 激光陀螺精度已达°/h。2)光纤陀螺技术。光纤陀螺与激光陀螺原理相同，不同之处是用光纤作为激光回路，可看作是第二代激光陀螺。由于光纤可以绕制，因此光纤陀螺的激光回路长度比环形激光陀螺大大增加，检测灵敏度和分辨率比激光陀螺也提高了几个数量级，有效克服了激光陀螺的闭锁问题。美国Northrop Grumman 公司生产的高精度光纤陀螺是FOG 2500，其动态范围最大值100°/s，标度因数 sec，标度因数稳定性1ppm，随机游走°/姨h ，漂移率°/h。2003年9月，Honeywell公司的高性能惯性参考系统中所采用的`光纤陀螺据称是当时能够产品化、性能最好的光纤陀螺，其角度随机游走(ARW)<°/姨h ，漂移率<°/h。

微机械陀螺技术。

20 世纪80 年代后期，由于微米/纳米、微电子机械系统(MEMS)等技术的引入，基于MEMS 工艺的微机械陀螺应运而生。微机械陀螺是基于哥氏效应(coriolis)制成的陀螺。其原理是利用柯氏力进行能量的传递，将谐振器的一种振动模式激励到另一种振动模式，后一种振动模式的振幅与输入角速度的大小成正比，通过测量振幅实现对角速度的测量。

微机械陀螺是采用硅体微机械加工技术中的深反应离子刻蚀技术(DRIE)，用化学蚀刻方法在单晶硅片上制成的超小型测角装置。目前国外制造的硅微机械面振动陀螺经补偿后精度已达到1°～10°/h，允许的环境温度可达到-40～85℃，可承受强加速度冲击，在战术武器等中、低精度领域已有批量应用。从整体来看，微机械陀螺目前还仅处在中低精度范畴，今后精度会越来越高。我国的MEMS 研究始于20 世纪90 年代，目前还处于基础理论研究阶段，由于技术、精度水平的限制，产品的性能和稳定性与国外还有较大差距。

新型陀螺技术。

随着对陀螺技术研究的不断深入，如量子陀螺、核磁共振陀螺、超流体陀螺、超导陀螺等新型陀螺不断涌现。比较有前景的是量子陀螺。量子陀螺，也称原子陀螺，是目前分辨率最高的陀螺。原子陀螺从测量机理上可分为原子干涉陀螺和原子自旋陀螺。其原理与光学陀螺类似，是利用同源原子束形成原子波干涉，产生类似光学的萨格纳克效应，通过测量其相位差实现对角速度测量。实际上就是利用原子波干涉代替光波干涉。由于原子质量远大于光子的相对质量，闭环区域相同的条件下，原子干涉陀螺对旋转的灵敏度要比光学陀螺提高10 个量级以上。原子自旋陀螺则与转子陀螺类似，是利用原子核或电子自旋的动量矩和磁矩在惯性空间具有定轴性来测量角速度。原子陀螺因其超高的精度潜力，有望成为引领未来陀螺更新换代的主导型战略级陀螺。目前美国已开发出精度达到6×10-5°/h 的原子陀螺，并希望借此研制出5m/h 的超高精度惯性导航系统。

2 陀螺技术应用

机电转子陀螺。

目前高精度机电式陀螺(包括液浮陀螺和静电陀螺)是高精度市场的主导产品。高精度液浮陀螺主要用于远程导弹、军用飞机、舰船和潜艇导航系统中，中精度液浮陀螺则在平台罗经、导弹、飞船及卫星中得到应用，而更高精度的三浮陀螺则应用于战略武器和航天领域，如美国应用在远程战略导弹制导浮球平台系统中TGG 型三浮陀螺，一直以来就拥有占有不可动摇的地位。静电陀螺目前仍然是高精度惯性导航系统的首选惯性基准器件，在今后10～20 年内的高性能惯性导航系统领域，高精度静电陀螺仍不可被取代。在我国，液浮陀螺平台惯性导航系统、动力调谐陀螺四轴平台系统已相继应用于长征系列运载火箭。

光学陀螺。

光学陀螺的全固态，没有旋转和摩擦部件，寿命长，动态范围大，瞬时启动，结构简单，尺寸小，重量轻，信息易数字化等优点，是转子陀螺所无法比拟的，因而光学陀螺已逐步替代了转子陀螺，在中高精度的应用领域中一直占据着主导位置，特别适合捷联式制导系统使用。国外全固态结构、全数字、低功耗的光纤陀螺至今已趋于成熟，覆盖了高、中、低精度范围，在各领域获得普遍应用，成为当今惯性技术领域的主导型陀螺之一。在空间飞行器、舰船等高精度应用领域，光纤陀螺正逐步代替激光陀螺，未来在战略级高精度应用领域也将占有一定的份额，进而逐步取代静电陀螺。

近年来，我国光学陀螺技术进步很快，目前已达到国际先进水平。光纤陀螺、激光陀螺惯导装置等也已经大量应用于战术制导武器、飞机、舰艇、运载火箭、宇宙飞船等。漂移率°～°/h 的新型激光捷联系统被应用于新型战机上;漂移率°/h 以下的光纤陀螺捷联惯导应用于舰艇、潜艇上。

微机械陀螺。

与光学陀螺一样，微机械陀螺从结构上也没有了高速旋转的转子，除具备光学陀螺的大多数优点外，尺寸更小(微米/纳米级)，功耗更低，价格低廉，应用范围更加广泛。

自20 世纪90 年代以来，微机械陀螺已经在超音速战机、巡航导弹、无人侦察机等军事领域得以运用。随着微米/纳米加工技术的进一步发展，随着尺寸和精度的进一步改善，微机械陀螺将取代光纤陀螺，获得较好的应用前景。低成本、体积小、反应快，动态范围大、能适应恶劣环境的优点，使微机械陀螺将会在汽车制造、数码电子设备、飞机辅助导航、生物、医疗、工业器械等民用领域具有更为广阔的市场，有望占领整个中低端市场。

陀螺技术经过几十年的发展，取得了长足进步，为航天、航空、航海事业及武器装备的发展提供了有力的技术支撑。但受材料、微电子器件、精密及微结构加工工艺等基础工业水平的制约，现代陀螺制造技术的发展跟国际上一些发达国家相比有明显的差距，今后还需在产品的精度、可靠性、环境适应性、产品一致性、参数长期稳定性等方面不断改进，尤其要着力加大对陀螺技术基础理论、应用材料、方法工艺的研究力度，提高惯性仪表水平。